来源：比翱科技集团
建模与表征多孔材料与人工结构丨比翱工程实验室
超材料是一种受自然或人类工程直觉启发的人工蜂窝材料，也称为晶格材料，提供了传统聚合物材料和复合材料无法实现的多功能特性。由于数字设计方法、增材制造技术和机器学习算法的最新进展，人们对聚合物超材料的设计、制造和测试越来越感兴趣。为此，本综述汇集了关于聚合物超材料设计、制造和测试的最新研究，并可作为未来工程应用的参考，因为它从文献中对现有聚合物超材料的机械/力学性能进行了分类。此项研究表明，有必要开发更方便、更直接的方法来设计超材料，类似于隐式创建的TPMS（三周期极小曲面）晶格。此外，还需要在更复杂的载荷场景下对聚合物超材料进行更多的研究，以更好地了解其性能特征。在超材料的增材制造过程中使用正确的机器学习算法可以缓解当前的许多困难，从而实现更精确、更有效的生产和产品质量保障。
科学家们对潜在材料和设计的不懈追求归功于尖端技术的出现。随着材料合成和增材制造技术的进步，这些材料和设计的制造已经成为可能。近年来，超材料成为能够在宏观和纳米尺度上生产多功能结构的前沿技术之一。通常，超材料被定义为模拟基于自然的结构的人工工程材料，合成了很少以大块材料形式观察到的极端材料特性。超材料，也称为晶格、人工或蜂窝材料/结构，凭借独特的多物理场（电磁、光学、声学、热和力学等）性能，成为一种多功能材料。
最近，科研界进行了广泛的研究，以探索机械（力学）超材料在材料空间中开拓未探索区域的熟练程度，如超高强度重量比、负泊松比和极端能量吸收能力等。随后，不同类型的领域利用了机械/力学超材料的优势。下表报告了不同类型晶格材料在各种领域的应用，重点介绍了所研究的拓扑结构、基体材料和物理性质。聚合物超材料已被开始用于牙科、骨植入和航天器系统。
表：晶格材料的应用以及所研究的拓扑结构和物理性质的描述
（a）夹层防护罩爆炸图（b）股骨上滑台和面中心立方八面体（FCOO）/八面体桁架的网格设计的3D模型（c）多孔Ti6Al4V支架中骨生长的显微CT图像（d）加载用于电磁波吸收的周期性超材料的3D微带天线（e）平面和弯曲超材料吸收片材
根据Scopus引文数据库，在过去的二十年里，各种主题领域对超材料和聚合物领域表现出越来越大的兴趣，如下图所示，图2描述了2005年至今不同主题领域发表的文件数量（即完整的研究文章、综述、会议论文和书籍章节）。每个条形图表示每年发布的文档总数，不同的颜色表示特定的主题区域。在已发表的文件总数中，对每个主题领域的贡献以百分比量化。可以注意到，大多数已发表的文献都与材料科学、工程和物理学科领域有关。事实上，从2009年起，这些主题领域每年的贡献几乎相等，因为它们在超材料和聚合物领域大量交织。请注意，跨学科学科领域包括医学、生物学、药理学和环境科学等领域，从2010年起呈现波动趋势。引文数据库显示，从2006年起，与超材料相关的出版物急剧增加。材料科学家和工程师一直在敦促我们探索超材料的物理、化学和机械力学特性。
Scopus使用关键词“超材料”和“聚合物”获得的数据库信息（最后更新于2023年7月12日）
增材制造和材料合成的最新进展使聚合物超材料能够在现实世界中的应用中集成。例如，用于生物组织工程和医疗设备（如支架和传感器）的聚合物拉胀超材料的进展；不同类型的聚合物超材料表现出的电磁和声学特征；由光固化树脂制成的电磁超材料在电磁掩蔽方面具有功能；由ABS和环氧树脂制成的声学和热学超材料分别在声学吸收和超低热导率方面具有功能；不同类型的机械/力学超材料在冲击吸收和承载应用中的应用。然而，无论是由于各种拓扑结构、用于制造零件的增材制造技术、所使用的聚合物材料等，在对当前聚合物超材料的机械性能进行分类方面仍然存在明显的差距。因此，本综述的主要目的是从文献中对现有聚合物超材料进行机械/力学性能分类，以作为未来工程应用的参考。
各种类型的晶格结构或蜂窝状固体的分类。（a）随机晶格和（b）周期晶格
梳状晶格人工设计。（a）单拓扑晶胞形状；（b）具有管状结构的混合晶胞形状，用于减轻梳状晶格结构中的剪切屈曲效应
各种基于支柱的晶格的图示。（a）受布拉维（Bravais）晶格启发的基于单拓扑支柱的架构（b）其他基于复杂支柱的晶格形式
（a）基本和混合板晶格的三维CAD设计（b）分级板晶格的三维CAD设计和（c）基于聚合物的3D打印板晶格
（a）关于如何隐式设计基于片材和基于韧带的TPMS晶格的说明，以及分别显示参数t和c以及所选TPMS晶格类型的相对密度和表面积与体积比之间关系的图。（b）使用基于聚合物的增材制造工艺和基材展示这些复杂结构的可打印性；（i）如何通过隐式设计策略构建基于片材和基于韧带/固体的TPMS架构，（ii）晶胞单元基于片材的TPMS的表面积与体积比与水平集参数变化之间的关系，（iii，iv）分别用于基于片材和韧带/固体TPMS体系结构的相对密度与任意参数之间的关系
分级设计策略（a）相对密度、（b）单元大小和（c）基于TPMS的晶格的拓扑结构
（a）可用于建模体积的五种技术：各向同性随机性、各向异性随机性、分级随机性、分层随机性；（b）生成基于随机片材的晶格材料的框架；（i）螺旋结构的单晶胞的设计，（ii）各种图案化的基于TPMS的拓扑结构的旋转，（iii）使用控制点和子域创建异质最小表面随机晶格材料，（iv）通过螺旋子域的随机定向对异质结构进行一级随机化，（v）通过螺旋子域的随机定向对异质结构进行二级随机化
（a）还原光聚合，（b）材料喷射，（c）材料挤出，（d）粘合剂喷射和（e）片材层压聚合物增材制造工艺的说明
条形图展示了增强和未增强聚合物晶格材料的力学性能：（a）单轴模量；（b）比能量吸收（SEA）和（c）极限强度
（a）生产增材制造的PDC晶格结构的总体布局；（b）演示了钢筋含量对PDC线性收缩的影响；（c）演示了钢筋含量对PDC的弯曲强度和抗压强度的影响；（d）烧结/热解温度对PDC抗压强度的影响
条形图展示了增强和未增强水泥基复合材料的力学性能：（a）抗弯强度；（b）抗压强度和（c）能量耗散
多材料聚合物晶格材料的设计和性能说明。（a）PLA和TPU蜂窝结构的设计和力学性能演示；（b）改变嵌入刚性CFRP构件中的软相体积分数对其储能模量和固有阻尼影响的证明；（c） 由于在尼龙结构中嵌入玻璃/纤维增强材料，凹角和六边形晶格材料的抗压强度、单轴模量和SEA得到了改善；d）多材料SU晶格材料的设计与力学性能对比
用于力学测试的各种聚合物样品。（a）基于薄板的TPMS立方体试样；（b）基于支柱和薄板的TPMS立方体试样；（c）片状TPMS连续网络结构复合材料试样；（d）使用基于聚合物、基于支柱的螺旋形TPMS制造3D MXene支架的步骤；（e）六边形蜂窝结构；（f）基于支柱的立方体试样；（g）基于均匀和混合支柱的立方体试样
各种聚合物超材料单轴压缩物理试验的单轴模量与超材料密度
各种聚合物超材料单轴压缩物理试验的屈服强度与超材料密度
各种聚合物超材料单轴压缩物理试验的极限强度与超材料密度
各种聚合物超材料冲击物理试验的比能吸收与超材料密度
本综述强调了研究人员对探索聚合物超材料的多功能性越来越感兴趣，这些超材料具有多种用途，如具有优异力学性能的承载、冲击吸收、生物相容性和耐热性。本综述汇集了聚合物超材料的设计、制造、测试和建模方面的最新研究成果。研究发现，改进它们的制造工艺可以提升结构的最大性能。使用机器学习工具设计晶格材料的最新进展将为基于人工智能算法提高其制造保真度提供新的机会。
尽管文献中提出了几种晶格结构，其目的是满足所需的工程功能，但据作者所知，仍有一些与超材料设计相关的方面有待探索。通常，基于支柱、基于板和基于梳状晶格是使用CAD工具显式导出的，这是一个耗时的过程。能够将这些类型的晶格材料隐式地构造为数学推导的TPMS晶格，以加速其设计并促进其拓扑性质的功能分级，这将是一件有趣的事情。此外，鉴于增材制造的重大和快速发展，在不涉及单轴压缩载荷的应用中使用这种超材料的需求也在增加。对于单轴/双轴拉伸、剪切、扭转等加载条件下的力学性能以及这些加载条件的组合，缺乏研究，这需要对这些聚合物超材料在各种应用中的性能有一个清晰的图像。这是加速增材制造在各种应用中的实施所必需的。重要的是不要忘记机器/深度学习在填补当前增材制造过程中的空白方面的作用。例如，机器学习可以解决为打印作业分配最佳打印参数的问题，这是拥有成功且功能强大的打印组件的最重要方面之一。一旦生成了足够的数据并建立了适当的数据库，这些打印参数将不再是技术人员关心的问题。因此，将机器学习添加到增材制造过程中可以发挥重要作用，使我们更接近一个可以在各个领域以最高精度轻松实现增材制造的世界。
原文来源：Polymers 2023, 15, 3858. https://doi.org/10.3390/polym15193858；Review of Additively Manufactured Polymeric Metamaterials:Design, Fabrication, Testing and Modeling
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